Amélioration des performances mécaniques des composites bio-inspirés pour le bâtiment et les applications de construction

Improving mechanical performances of bio-inspired composites for building and construction applications

• Auteur / Autrice : Jiwei Jia
• Direction : Ali Zaoui
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le 25/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire Génie Civil & Géo-Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Les propriétés mécaniques

La simulation moléculaire

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Mechanical properties

Molecular simulation

Density functional theory

Résumé

Le développement de matériaux de construction renforcés par un processus d'écrouissage est devenu une préoccupation mondiale majeure. Bien que d'importants progrès aient été réalisés pour améliorer la résistance et la durabilité des matériaux cimentaires, la nature elle-même offre des opportunités pour des avancées encore plus significatives. Les nanocomposites bioinspirés, qui s'inspirent des structures naturelles, suscitent un intérêt croissant pour leurs propriétés uniques et leur potentiel. Parmi les exemples naturels, la nacre se démarque en raison de ses propriétés mécaniques exceptionnelles, telles que sa haute résistance et sa ténacité. La nacre est un biocomposite à deux niveaux, composé de minuscules grains d'aragonite (une forme de CaCO3) agencés en couches et liés par des biopolymères souples tels que les protéines et les polysaccharides. Cette combinaison unique de phases inorganiques et organiques confère à la nacre des propriétés mécaniques bien supérieures à celles de l'aragonite pure. À l'échelle nanométrique, les carreaux de nacre présentent des nano-aspérités et sont reliés par des ponts minéraux. À l'échelle microscopique, ces plaquettes forment une structure en couches de brique et de mortier, ce qui donne lieu à des propriétés mécaniques remarquables. Cependant, malgré de nombreuses recherches expérimentales, une compréhension complète de l'interface entre les phases organiques et inorganiques à l'échelle moléculaire reste incomplète. C'est là qu'interviennent les méthodes de modélisation moléculaire, qui peuvent être des outils puissants pour élucider les mécanismes sous-jacents responsables de la formation de ces composites bioinorganiques. Cette proposition vise à approfondir la compréhension des interactions et des forces à l'œuvre dans la formation des interfaces organiques-inorganiques au sein des nanocomposites de type nacre, en utilisant des simulations moléculaires. Différents modèles représentatifs de composites biopolymère-aragonite seront développés, couvrant des surfaces d'aragonite, des structures en lamelles et des grains minéraux nanoplaquettaires intégrés dans une matrice polymère réticulée. Les simulations moléculaires permettront d'analyser en détail la structure de l'interface entre les surfaces d'aragonite et la fraction biopolymère, ainsi que la nature des liaisons entre ces deux phases. Les résultats escomptés de cette recherche pourraient contribuer à expliquer les propriétés mécaniques exceptionnelles de la nacre et éclairer le développement de nouveaux composites stratifiés à haute résistance. De plus, ces connaissances pourraient être appliquées à la conception de composites synthétiques organo-minéraux avec des propriétés similaires à celles de la nacre. Ce concept novateur pourrait également influencer le développement de nouvelles technologies de fabrication, telles que l'impression 3D de matériaux cimentaires, pour créer des matériaux de construction plus durables, abondants et économiques.

The development of strain-hardening building materials becomes a world concern. Several efforts have been done to provide a higher strength and durability to cementitious materials but nature suggests we can do better. Nature offers numerous examples of very specific natural materials like bioinspired nanocomposites, with unique structure and properties that are under an intensive investigation in basic scientific disciplines. Particularly, nacre represents one excellent representative of the natural bioinorganic material with interesting mechanical properties such as high strength and toughness. Nacre is two-level biocomposite consisting from nanograins of hard mineral aragonite (CaCO3 polymorph) glued with soft biopolymer binders (proteins, polysaccharides). Its mechanical properties are much higher than corresponding properties of the parent materials aragonite. The high resolution imaging techniques showed nano-asperities of the microplatelet tiles that are connected with mineral bridges. In the second, microscale level, these platelets form brick-and-mortar layered structure with thickness of 0.2—0.5 µm (~95% volume fraction) embedded in biopolymer binders (~5%) represented mainly by proteins and polysaccharides This unique combination of inorganic and organic moieties results in interesting mechanical properties, much higher strength and fracture toughness than parent inorganic material aragonite. The tensile strength and Young's modulus of the nacre is in the range of 80−135 MPa and 60−70 GPa (depending on the wet or dry states) which give rise to the tensile toughness of around 1.8 MJ/m3 calculated by integrating the area underneath the stress−strain curve. Fracture testing showed that the fracture toughness of nacre is about 1.5 kJ/m2, ~3000 times higher than ∼0.5 J/m2 of pure calcium carbonate. Owing to the extraordinary mechanical properties, nacre is extensively studied experimentally in order to understand the relation between its microstructure and properties, which knowledge can help in a preparation of novel high-strength layered composites. Following experiments various models and mechanisms have been proposed for explaining unusual strengthening in nacre such as small size scale of the building blocks, mineral bridges between nanograins, abrupt steps and nano-asperities on the platelet surfaces, or nanostructured tablets. In spite of numerous experiments, complete molecular-scale knowledge about the organic-inorganic interface is still not fully achieved. In this context, molecular modelling methods can be an effective tool for revealing mechanisms and interactions responsible for the formation of bioinorganic composite materials such as nacre. This proposal is aimed to contribute to the mechanistic understanding of the interactions and forces responsible for the formation of bioorganic-inorganic interfaces in nanocomposites of the nacre type at molecular scale by using methods of molecular modeling. Various representative models of biopolymer-aragonite composites will be developed. They will cover surface models of aragonite, lamellae structures, and nanoplatelet mineral grains embedded in the cross-linked polymer matrix. Biopolymers used in the simulations will be based on protein and polysaccharide structures. Molecular simulations will be conducted to describe in details the structure of the interface between aragonite surfaces and biopolymer moiety and the nature of the binding between these two phases. It is expected, that using a systematic approach to the design of the structural models and applying appropriate molecular modeling approach will significantly help to reveal the nature of the interactions between inorganic and biopolymer phases and to the explanation of the unusual mechanical properties of the nacre biocomposite. The achieved results can also help to material scientists in their effort to prepare synthetic organo-mineral composites with specific properties such as nacre has. This novel concept will help to attain the balance between strength, toughness and ductility in order to develop advanced bio-inspired composites and new manufacturing technologies such as 3D printing of cementitious materials. This leads to the development of more abundant and low-cost materials such as cement and concretes.